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DE102022133587A1 - OPTOELECTRONIC SEMICONDUCTOR COMPONENT WITH AN ORDERED PHOTONIC STRUCTURE - Google Patents

OPTOELECTRONIC SEMICONDUCTOR COMPONENT WITH AN ORDERED PHOTONIC STRUCTURE Download PDF

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DE102022133587A1
DE102022133587A1 DE102022133587.9A DE102022133587A DE102022133587A1 DE 102022133587 A1 DE102022133587 A1 DE 102022133587A1 DE 102022133587 A DE102022133587 A DE 102022133587A DE 102022133587 A1 DE102022133587 A1 DE 102022133587A1
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DE
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layer
mode
pusher
semiconductor layer
semiconductor
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Withdrawn
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DE102022133587.9A
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Inventor
Hubert Halbritter
Christoph Eichler
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Ams Osram International GmbH
Original Assignee
Ams Osram International GmbH
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Publication date
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Abstract

Ein optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) umfasst eine erste GaN-haltige Halbleiterschicht (101) von einem ersten Leitfähigkeitstyp, eine zweite GaN-haltige Halbleiterschicht (102) von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, und eine aktive Zone (108). Die erste Halbleiterschicht (101), die aktive Zone (108) und die zweite Halbleiterschicht (102) sind unter Ausbildung eines Halbleiterschichtstapels übereinander angeordnet. Das optoelektronische Halbleiterbauelement (10) umfasst weiterhin eine geordnete photonische Struktur (110), die angrenzend an die zweite GaN-haltige Halbleiterschicht (102) angeordnet ist, und eine Moden-Pusherschicht (115), die auf einer der ersten GaN-haltigen Schicht (101) zugewandten Seite der aktiven Zone (108) angeordnet ist. Ein Moden-Pushermaterial der Moden-Pusherschicht (115) hat einen Brechungsindex kleiner als 2,4, und eine Gitterkonstante c der Moden-Pusherschicht (115) liegt in einem Bereich von 0,99 * a ≤ c ≤ 1,01 * a, wobei a der Gitterkonstante von GaN entspricht.An optoelectronic semiconductor component (10) comprises a first GaN-containing semiconductor layer (101) of a first conductivity type, a second GaN-containing semiconductor layer (102) of a second conductivity type, and an active zone (108). The first semiconductor layer (101), the active zone (108), and the second semiconductor layer (102) are arranged one above the other to form a semiconductor layer stack. The optoelectronic semiconductor component (10) further comprises an ordered photonic structure (110) arranged adjacent to the second GaN-containing semiconductor layer (102), and a mode pusher layer (115) arranged on a side of the active zone (108) facing the first GaN-containing layer (101). A mode pusher material of the mode pusher layer (115) has a refractive index smaller than 2.4, and a lattice constant c of the mode pusher layer (115) is in a range of 0.99 * a ≤ c ≤ 1.01 * a, where a corresponds to the lattice constant of GaN.

Description

Oberflächenemittierende Laser, d. h. Laservorrichtungen, bei denen das erzeugte Laserlicht senkrecht zu einer Oberfläche einer Halbleiterschichtanordnung emittiert wird, können in vielfältigen Anwendungen, beispielsweise in AR-(„Augmented Reality“) Anwendungen oder in 3D-Sensorsystemen, beispielsweise zur Gesichtserkennung oder zur Abstandsmessung beim autonomen Fahren, oder für allgemeine Beleuchtungszwecke wie beispielsweise für Anzeigevorrichtungen verwendet werden.Surface-emitting lasers, i.e. laser devices in which the generated laser light is emitted perpendicular to a surface of a semiconductor layer arrangement, can be used in a wide range of applications, for example in AR ("augmented reality") applications or in 3D sensor systems, for example for facial recognition or distance measurement in autonomous driving, or for general lighting purposes such as for display devices.

Ein oberflächenemittierender Laser mit photonischem Kristall, PCSEL („Photonic Crystal Surface Emitting Laser“) weist einen photonischen Kristall oder eine geordnete photonische Struktur in der Nähe einer aktiven Zone zur Strahlungserzeugung auf.A photonic crystal surface emitting laser (PCSEL) has a photonic crystal or an ordered photonic structure near an active zone for radiation generation.

Generell werden Anstrengungen unternommen, derartige optoelektronische Halbleiterbauelemente zu verbessern.In general, efforts are being made to improve such optoelectronic semiconductor components.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes optoelektronisches Halbleiterbauelement zur Verfügung zu stellen.The present invention is based on the object of providing an improved optoelectronic semiconductor component.

Gemäß Ausführungsformen wird die Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.According to embodiments, the object is achieved by the subject matter of the independent patent claims. Further developments are defined in the dependent patent claims.

Ein optoelektronisches Halbleiterbauelement umfasst eine erste GaN-haltige Halbleiterschicht von einem ersten Leitfähigkeitstyp, eine zweite GaN-haltige Halbleiterschicht von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, und eine aktive Zone. Die erste Halbleiterschicht, die aktive Zone und die zweite Halbleiterschicht sind unter Ausbildung eines Halbleiterschichtstapels übereinander angeordnet. Das optoelektronische Halbleiterbauelement umfasst weiterhin eine geordnete photonische Struktur, die angrenzend an die zweite GaN-haltige Halbleiterschicht angeordnet ist, und eine Moden-Pusherschicht, die auf einer der ersten GaN-haltigen Schicht zugewandten Seite der aktiven Zone angeordnet ist. Ein Moden-Pushermaterial der Moden-Pusherschicht hat einen Brechungsindex kleiner als 2,4, und eine Gitterkonstante c der Moden-Pusherschicht liegt in einem Bereich 0,99 * a ≤ c ≤ 1,01 * a, wobei a der Gitterkonstante von GaN entspricht.An optoelectronic semiconductor component comprises a first GaN-containing semiconductor layer of a first conductivity type, a second GaN-containing semiconductor layer of a second conductivity type, and an active zone. The first semiconductor layer, the active zone, and the second semiconductor layer are arranged one above the other to form a semiconductor layer stack. The optoelectronic semiconductor component further comprises an ordered photonic structure arranged adjacent to the second GaN-containing semiconductor layer, and a mode pusher layer arranged on a side of the active zone facing the first GaN-containing layer. A mode pusher material of the mode pusher layer has a refractive index of less than 2.4, and a lattice constant c of the mode pusher layer is in a range 0.99 * a ≤ c ≤ 1.01 * a, where a corresponds to the lattice constant of GaN.

Beispielsweise kann die Moden-Pusherschicht zwischen der aktiven Zone und der ersten Halbleiterschicht angeordnet sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Moden-Pusherschicht auch auf einer von der aktiven Zone abgewandten Seite der ersten Halbleiterschicht angeordnet sein.For example, the mode pusher layer can be arranged between the active zone and the first semiconductor layer. According to further embodiments, the mode pusher layer can also be arranged on a side of the first semiconductor layer facing away from the active zone.

Beispielsweise kann die Moden-Pusherschicht eine Übergitterstruktur aufweisen, die Schichten des Moden-Pushermaterials und AlxInyGa1-x-yN-Schichten, mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y < 1, die jeweils abwechselnd angeordnet sind, umfasst. Dabei haben die Schichten des Moden-Pushermaterials eine andere Zusammensetzung als die AlxInyGa1-x-yN-Schichten.For example, the mode pusher layer can have a superlattice structure that includes layers of the mode pusher material and Al x In y Ga 1-xy N layers, with 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 and x + y < 1, which are each arranged alternately. The layers of the mode pusher material have a different composition than the Al x In y Ga 1-xy N layers.

Eine Schichtdicke der Moden-Pusherschicht kann kleiner als 800 nm sein.A layer thickness of the mode pusher layer can be less than 800 nm.

Ein Abstand der Moden-Pusherschicht zu der aktiven Zone kann kleiner als 1000 nm sein.A distance of the mode pusher layer to the active zone can be less than 1000 nm.

Gemäß Ausführungsformen kann das Moden-Pushermaterial ein Material der Zusammensetzung AlxIn1-xN hat mit 0.77 ≤ x ≤ 0.87 umfassen.According to embodiments, the mode pusher material may comprise a material having the composition Al x In 1-x N hat with 0.77 ≤ x ≤ 0.87.

Beispielsweise kann das Moden-Pushermaterial poröses GaN umfassen.For example, the mode pusher material may comprise porous GaN.

Gemäß Ausführungsformen ist eine Position der Moden-Pusherschicht in Abhängigkeit des Brechungsindex der Moden-Pusherschicht so ausgewählt, dass eine Intensität einer optischen Mode innerhalb des Halbleiterschichtstapels an einer der aktiven Zone zugewandten Grenzfläche der Moden-Pusherschicht kleiner als 40 % der maximalen Intensität der optischen Mode ist. Auf diese Weise kann Absorption der erzeugten elektromagnetischen Strahlung durch die Moden-Pusherschicht unterdrückt werden.According to embodiments, a position of the mode pusher layer is selected depending on the refractive index of the mode pusher layer such that an intensity of an optical mode within the semiconductor layer stack at an interface of the mode pusher layer facing the active zone is less than 40% of the maximum intensity of the optical mode. In this way, absorption of the generated electromagnetic radiation by the mode pusher layer can be suppressed.

Weiterhin kann eine Position der Moden-Pusherschicht in Abhängigkeit des Brechungsindex der Moden-Pusherschicht so ausgewählt werden, dass eine Intensität einer optischen Mode innerhalb des Halbleiterschichtstapels an einer der aktiven Zone abgewandten Grenzfläche der Moden-Pusherschicht kleiner als 10 % der maximalen Intensität der optischen Mode ist. Auf diese Weise kann Absorption der erzeugten elektromagnetischen Strahlung durch die Moden-Pusherschicht weiter unterdrückt werden.Furthermore, a position of the mode pusher layer can be selected depending on the refractive index of the mode pusher layer such that an intensity of an optical mode within the semiconductor layer stack at a boundary surface of the mode pusher layer facing away from the active zone is less than 10% of the maximum intensity of the optical mode. In this way, absorption of the generated electromagnetic radiation by the mode pusher layer can be further suppressed.

Das optoelektronisches Halbleiterbauelement kann weiterhin ein Substrat auf der Seite der ersten Halbleiterschicht aufweisen. Weiterhin kann die erste Halbleiterschicht eine erste Mantelschicht mit einem Brechungsindex, der größer als der Brechungsindex des Moden-Pushermaterials ist, umfassen. Die erste Mantelschicht kann zwischen der Moden-Pusherschicht und dem Substrat angeordnet sein.The optoelectronic semiconductor component can further comprise a substrate on the side of the first semiconductor layer. Furthermore, the first semiconductor layer can comprise a first cladding layer with a refractive index that is greater than the refractive index of the mode pusher material. The first cladding layer can be arranged between the mode pusher layer and the substrate.

Beispielsweise kann eine Schichtdicke der ersten Mantelschicht größer als 1000 nm sein.For example, a layer thickness of the first cladding layer can be greater than 1000 nm.

Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die erste Halbleiterschicht ferner eine zweite Mantelschicht zwischen der Moden-Pusherschicht und der aktiven Zone umfassen. Der Brechungsindex der zweiten Mantelschicht kann kleiner als der Brechungsindex von GaN und größer als der Brechungsindex der Moden-Pusherschicht sein.According to further embodiments, the first semiconductor layer may further comprise a second cladding layer between the mode pusher layer and the active region. The refractive index of the second cladding layer may be smaller than the refractive index of GaN and larger than the refractive index of the mode pusher layer.

Beispielsweise kann eine Schichtdicke der zweiten Mantelschicht kleiner 1000 nm sein.For example, a layer thickness of the second cladding layer can be less than 1000 nm.

Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die geordnete photonische Struktur zwischen der aktiven Zone und der zweiten Halbleiterschicht angeordnet sein. Die zweite Halbleiterschicht kann einen größeren Brechungsindex als den gemittelten Brechungsindex der geordneten photonischen Struktur haben.According to further embodiments, the ordered photonic structure can be arranged between the active zone and the second semiconductor layer. The second semiconductor layer can have a larger refractive index than the average refractive index of the ordered photonic structure.

Beispielsweise kann das optoelektronisches Halbleiterbauelement ferner ein zweidimensionales Elektronengas an einer Grenzfläche zwischen der ersten Halbleiterschicht und der Moden-Pusherschicht aufweisen.For example, the optoelectronic semiconductor component may further comprise a two-dimensional electron gas at an interface between the first semiconductor layer and the mode pusher layer.

Beispielsweise kann das optoelektronische Halbleiterbauelement als oberflächenemittierender Halbleiterlaser ausgebildet sein.For example, the optoelectronic semiconductor component can be designed as a surface-emitting semiconductor laser.

Die begleitenden Zeichnungen dienen dem Verständnis von Ausführungsbeispielen der Erfindung. Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsbeispiele und dienen zusammen mit der Beschreibung deren Erläuterung. Weitere Ausführungsbeispiele und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile ergeben sich unmittelbar aus der nachfolgenden Detailbeschreibung. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt. Gleiche Bezugszeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechende Elemente und Strukturen.

  • 1A zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsformen.
  • 1B zeigt eine räumliche Verteilung des Brechungsindex und der elektrischen Feldstärke bei einem optoelektronischen Halbleiterbauelement gemäß Ausführungsformen.
  • 1C veranschaulicht den Brechungsindex und eine sich ausbreitende Mode bei einem optoelektronischen Halbleiterbauelement gemäß Ausführungsformen.
  • 2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsformen.
The accompanying drawings are intended to provide an understanding of embodiments of the invention. The drawings illustrate embodiments and together with the description serve to explain the same. Further embodiments and many of the intended advantages will become apparent from the detailed description below. The elements and structures shown in the drawings are not necessarily drawn to scale with respect to one another. Like reference numerals refer to like or corresponding elements and structures.
  • 1A shows a schematic cross-sectional view of an optoelectronic semiconductor device according to embodiments.
  • 1B shows a spatial distribution of the refractive index and the electric field strength in an optoelectronic semiconductor device according to embodiments.
  • 1C illustrates the refractive index and a propagating mode in a semiconductor optoelectronic device according to embodiments.
  • 2 shows a schematic cross-sectional view of an optoelectronic semiconductor device according to embodiments.

In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen zu Veranschaulichungszwecken spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind. In diesem Zusammenhang wird eine Richtungsterminologie wie „Oberseite“, „Boden“, „Vorderseite“, „Rückseite“, „über“, „auf“, „vor“, „hinter“, „vorne“, „hinten“ usw. auf die Ausrichtung der gerade beschriebenen Figuren bezogen. Da die Komponenten der Ausführungsbeispiele in unterschiedlichen Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie nur der Erläuterung und ist in keiner Weise einschränkend.In the following detailed description, reference is made to the accompanying drawings, which form a part of the disclosure, and in which specific embodiments are shown for purposes of illustration. In this context, directional terminology such as "top", "bottom", "front", "back", "over", "on", "in front of", "behind", "fore", "backward", etc., refers to the orientation of the figures just described. Since the components of the embodiments can be positioned in different orientations, the directional terminology is for purposes of explanation only and is not in any way limiting.

Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist nicht einschränkend, da auch andere Ausführungsbeispiele existieren und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne dass dabei vom durch die Patentansprüche definierten Bereich abgewichen wird. Insbesondere können Elemente von im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Elementen von anderen der beschriebenen Ausführungsbeispiele kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt.The description of the embodiments is not limiting, since other embodiments exist and structural or logical changes may be made without departing from the scope defined by the patent claims. In particular, elements of embodiments described below may be combined with elements of other embodiments described, unless the context indicates otherwise.

Die Begriffe „Wafer“ oder „Halbleitersubstrat“, die in der folgenden Beschreibung verwendet sind, können jegliche auf Halbleiter beruhende Struktur umfassen, die eine Halbleiteroberfläche hat. Wafer und Struktur sind so zu verstehen, dass sie dotierte und undotierte Halbleiter, epitaktische Halbleiterschichten, gegebenenfalls getragen durch eine Basisunterlage, und weitere Halbleiterstrukturen einschließen. Beispielsweise kann eine Schicht aus einem ersten Halbleitermaterial auf einem Wachstumssubstrat aus einem zweiten Halbleitermaterial, beispielsweise einem GaAs-Substrat, einem GaN-Substrat oder einem Si-Substrat oder aus einem isolierenden Material, beispielsweise auf einem Saphirsubstrat, gewachsen sein.The terms "wafer" or "semiconductor substrate" used in the following description may encompass any semiconductor-based structure having a semiconductor surface. Wafer and structure are to be understood as including doped and undoped semiconductors, epitaxial semiconductor layers optionally supported by a base support, and other semiconductor structures. For example, a layer of a first semiconductor material may be grown on a growth substrate of a second semiconductor material, for example a GaAs substrate, a GaN substrate or a Si substrate, or of an insulating material, for example on a sapphire substrate.

Je nach Verwendungszweck kann der Halbleiter auf einem direkten oder einem indirekten Halbleitermaterial basieren. Beispiele für zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung besonders geeignete Halbleitermaterialien umfassen insbesondere Nitrid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise ultraviolettes, blaues oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaN, InGaN, AlN, AlGaN, AlGaInN, Al-GaInBN, Phosphid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise grünes oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaAsP, AlGaInP, GaP, AlGaP, sowie weitere Halbleitermaterialien wie GaAs, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, SiC, ZnSe, ZnO, Ga2O3, Diamant, hexagonales BN und Kombinationen der genannten Materialien. Das stöchiometrische Verhältnis der Verbindungshalbleitermaterialien kann variieren. Weitere Beispiele für Halbleitermaterialien können Silizium, Silizium-Germanium und Germanium umfassen. Im Kontext der vorliegenden Beschreibung schließt der Begriff „Halbleiter“ auch organische Halbleitermaterialien ein.Depending on the intended use, the semiconductor can be based on a direct or an indirect semiconductor material. Examples of semiconductor materials that are particularly suitable for generating electromagnetic radiation include, in particular, nitride semiconductor compounds, through which, for example, ultraviolet, blue or longer-wave light can be generated, such as GaN, InGaN, AlN, AlGaN, AlGaInN, Al-GaInBN, phosphide semiconductor compounds, through which, for example, green or longer-wave light can be generated, such as GaAsP, AlGaInP, GaP, AlGaP, and other semiconductor materials such as GaAs, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, SiC, ZnSe, ZnO, Ga 2 O 3 , diamond, hexagonal BN and combinations of the materials mentioned. The stoichiometric ratio of the compound semiconductor materials can vary. Other examples of semiconductor materials can include silicon, silicon-germanium and germanium. In the context of the present Description, the term “semiconductor” also includes organic semiconductor materials.

Der Begriff „Substrat“ umfasst generell isolierende, leitende oder Halbleitersubstrate.The term “substrate” generally includes insulating, conductive or semiconductor substrates.

Der Begriff „vertikal“, wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, soll eine Orientierung beschreiben, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Die vertikale Richtung kann beispielsweise einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten entsprechen.The term "vertical" as used in this description is intended to describe an orientation that is substantially perpendicular to the first surface of a substrate or semiconductor body. The vertical direction can, for example, correspond to a growth direction when growing layers.

Die Begriffe „lateral“ und „horizontal“, wie in dieser Beschreibung verwendet, sollen eine Orientierung oder Ausrichtung beschreiben, die im Wesentlichen parallel zu einer ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder eines Chips (Die) sein.The terms "lateral" and "horizontal" as used in this description are intended to describe an orientation or alignment that is substantially parallel to a first surface of a substrate or semiconductor body. This can be, for example, the surface of a wafer or a chip (die).

Die horizontale Richtung kann beispielsweise in einer Ebene senkrecht zu einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten liegen.The horizontal direction can, for example, lie in a plane perpendicular to a growth direction when growing layers.

Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bedeutet der Begriff „geordnete photonische Struktur“ eine Struktur, deren Strukturelemente an vorbestimmten Stellen angeordnet sind. Das Anordnungsmuster der Strukturelemente unterliegt einer speziellen Ordnung. Die Funktionalität der geordneten photonischen Struktur ergibt sich über die Anordnung der Strukturelemente. Die Strukturelemente sind beispielsweise derart angeordnet, dass Beugungseffekte auftreten. Die Strukturelemente können beispielsweise periodisch angeordnet sein, so dass ein photonischer Kristall verwirklicht wird. Gemäß weiteren Ausführungsformen können die Strukturelemente auch derart angeordnet sein, dass sie deterministische aperiodische Strukturen, beispielsweise Vogel-Spiralen darstellen. Gemäß weiteren Ausführungsformen können die Strukturelemente auch derart angeordnet sein, dass sie einen quasiperiodischen Kristall, beispielsweise ein Archimedisches Gitter verwirklichen.In the context of the present disclosure, the term "ordered photonic structure" means a structure whose structural elements are arranged at predetermined locations. The arrangement pattern of the structural elements is subject to a specific order. The functionality of the ordered photonic structure results from the arrangement of the structural elements. The structural elements are arranged, for example, in such a way that diffraction effects occur. The structural elements can, for example, be arranged periodically so that a photonic crystal is realized. According to further embodiments, the structural elements can also be arranged in such a way that they represent deterministic aperiodic structures, for example Vogel spirals. According to further embodiments, the structural elements can also be arranged in such a way that they realize a quasi-periodic crystal, for example an Archimedean lattice.

Im Kontext dieser Beschreibung bedeutet der Begriff „elektrisch verbunden“ eine niederohmige elektrische Verbindung zwischen den verbundenen Elementen. Die elektrisch verbundenen Elemente müssen nicht notwendigerweise direkt miteinander verbunden sein. Weitere Elemente können zwischen elektrisch verbundenen Elementen angeordnet sein.In the context of this description, the term "electrically connected" means a low-resistance electrical connection between the connected elements. The electrically connected elements do not necessarily have to be directly connected to one another. Additional elements can be arranged between electrically connected elements.

Der Begriff „elektrisch verbunden“ umfasst auch Tunnelkontakte zwischen den verbundenen Elementen.The term “electrically connected” also includes tunnel contacts between the connected elements.

1A zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 10 gemäß Ausführungsformen. Das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 umfasst eine erste GaN-haltige Halbleiterschicht 101 von einem ersten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise n-leitend, eine zweite GaN-haltige Halbleiterschicht 102 von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise p-leitend, und eine aktive Zone 108, wobei die erste Halbleiterschicht 101, die aktive Zone 108 und die zweite Halbleiterschicht 102 unter Ausbildung eines Halbleiterschichtstapels übereinander angeordnet sind. Das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 umfasst weiterhin eine geordnete photonische Struktur 110, die angrenzend an die zweite GaN-haltige Halbleiterschicht 102 angeordnet ist, und eine Moden-Pusherschicht 115, die zwischen der aktiven Zone 108 und der ersten GaN-haltigen Halbleiterschicht 101 angeordnet ist. Ein Moden-Pushermaterial der Moden-Pusherschicht 115 hat einen Brechungsindex kleiner als 2,4. Weiterhin liegt eine Gitterkonstante c der Moden-Pusherschicht 115 in einem Bereich von 0,99 * a ≤ c ≤ 1,01 * a, wobei a der Gitterkonstante von GaN entspricht. Beispielsweise kann folgende Beziehung gelten: 0,993 * a ≤ c ≤ 1,007 * a oder gar 0,995 * a ≤ c ≤ 1,005 * a. Die Gitterkonstante a von GaN entspricht der Gitterkonstanten für Wurtzit in der a-Richtung und beträgt beispielsweise 0,3189 nm. Auf diese Weise ist das Gitter der Moden-Pusherschicht 115 besonders gut an das Gitter der GaN-Schicht oder des Wachstumssubstrats angepasst. 1A shows a schematic cross-sectional view of an optoelectronic semiconductor component 10 according to embodiments. The optoelectronic semiconductor component 10 comprises a first GaN-containing semiconductor layer 101 of a first conductivity type, for example n-conducting, a second GaN-containing semiconductor layer 102 of a second conductivity type, for example p-conducting, and an active zone 108, wherein the first semiconductor layer 101, the active zone 108 and the second semiconductor layer 102 are arranged one above the other to form a semiconductor layer stack. The optoelectronic semiconductor component 10 further comprises an ordered photonic structure 110 arranged adjacent to the second GaN-containing semiconductor layer 102 and a mode pusher layer 115 arranged between the active zone 108 and the first GaN-containing semiconductor layer 101. A mode pusher material of the mode pusher layer 115 has a refractive index of less than 2.4. Furthermore, a lattice constant c of the mode pusher layer 115 is in a range of 0.99 * a ≤ c ≤ 1.01 * a, where a corresponds to the lattice constant of GaN. For example, the following relationship can apply: 0.993 * a ≤ c ≤ 1.007 * a or even 0.995 * a ≤ c ≤ 1.005 * a. The lattice constant a of GaN corresponds to the lattice constant for wurtzite in the a-direction and is, for example, 0.3189 nm. In this way, the lattice of the mode pusher layer 115 is particularly well adapted to the lattice of the GaN layer or the growth substrate.

Die aktive Zone 108 kann beispielsweise einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantentopf-Struktur (SQW, single quantum well) oder eine Mehrfach-Quantentopf-Struktur (MQW, multi quantum well) zur Strahlungserzeugung aufweisen. Die Bezeichnung „Quantentopf-Struktur“ entfaltet hierbei keine Bedeutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte sowie jede Kombination dieser Schichten.The active zone 108 can, for example, have a pn junction, a double heterostructure, a single quantum well structure (SQW) or a multiple quantum well structure (MQW) for generating radiation. The term "quantum well structure" has no meaning with regard to the dimensionality of the quantization. It therefore includes, among other things, quantum wells, quantum wires and quantum dots as well as any combination of these layers.

Beispielsweise können die erste und die zweite Halbleiterschicht 101, 102 jeweils GaN-Schichten sein und keine weiteren Zusammensetzungselemente aufweisen. Generell bezeichnet der Begriff „GaN-haltige Schicht“ jegliche Verbindungshalbleiterschicht, die GaN enthält. Beispielsweise können die erste und die zweite Halbleiterschicht eine Zusammensetzung AlxInyGa1-x-yN haben, mit geeigneten Werten für x und y. x und y können dabei 0 oder 1 oder jeden beliebigen Wert zwischen 0 und 1 annehmen, wobei x + y < 1. Gemäß Ausführungsformen kann die Zusammensetzung der ersten und der zweiten Halbleiterschicht 101, 102 jeweils identisch oder voneinander verschieden sein.For example, the first and second semiconductor layers 101, 102 may each be GaN layers and may not have any other compositional elements. In general, the term “GaN-containing layer” refers to any compound semiconductor layer that contains GaN. For example, the first and second semiconductor layers may have a composition Al x In y Ga 1-xy N, with suitable values for x and y. x and y may assume 0 or 1 or any value between 0 and 1, where x + y < 1. According to embodiments, the composition of the first and second semiconductor layers 101, 102 may each be identical or different from one another.

Die geordnete photonische Struktur 110 kann beispielsweise Material der zweiten GaN-haltigen Halbleiterschicht 102 enthalten. Beispielsweise kann ein Bereich der zweiten GaN-haltigen Halbleiterschicht 102 unter Ausbildung der photonischen Struktur 110 strukturiert sein. Die Halbleiterschicht kann beispielsweise durch Ätzen oder selektives Aufwachsen zu Säulen mit beliebigem Querschnitt strukturiert sein. Zwischenräume zwischen benachbarten Säulen können mit einem anderen Material oder mit Luft gefüllt sein. Beispielsweise können Teilschichten der zweiten GaN-haltigen Halbleiterschicht 102 an eine erste und eine zweite Hauptoberfläche oder Oberseite der geordneten photonischen Struktur angrenzen.The ordered photonic structure 110 can, for example, contain material of the second GaN-containing semiconductor layer 102. For example, a region of the second GaN-containing semiconductor layer 102 can be structured to form the photonic structure 110. The semiconductor layer can, for example, be structured by etching or selective growth to form columns with any cross-section. Gaps between adjacent columns can be filled with another material or with air. For example, sublayers of the second GaN-containing semiconductor layer 102 can adjoin a first and a second main surface or top side of the ordered photonic structure.

Aufgrund der Strukturierung der geordneten photonischen Struktur 110 weist die Schicht einen verringerten gemittelten Brechungsindex auf. Beispielsweise kann der Brechungsindex von ungefähr 2,47 auf den gemittelten Wert von ungefähr 2,3 reduziert sein. Als Ergebnis kann eine sich ausbildende optische Mode 16 zu einem geringeren Anteil mit der geordneten photonischen Struktur 110 überlappen. Weiterhin kann die sich ausbildende optische Mode 16 zur Seite der ersten Halbleiterschicht 101 geschoben werden. Aufgrund der Anwesenheit der Moden-Pusherschicht 115 wird nun die optische Mode wieder in Richtung der aktiven Zone 108 verschoben. Als Ergebnis werden in dem optoelektronischen Halbleiterbauelement ein verbessertes optisches Confinement bzw. ein verbesserter optischer Einschluss, ein niedrigere Schwellwertspannung sowie eine erhöhte Effizienz erzielt.Due to the structuring of the ordered photonic structure 110, the layer has a reduced average refractive index. For example, the refractive index can be reduced from approximately 2.47 to the average value of approximately 2.3. As a result, a developing optical mode 16 can overlap with the ordered photonic structure 110 to a lesser extent. Furthermore, the developing optical mode 16 can be pushed to the side of the first semiconductor layer 101. Due to the presence of the mode pusher layer 115, the optical mode is now shifted back towards the active zone 108. As a result, an improved optical confinement, a lower threshold voltage and an increased efficiency are achieved in the optoelectronic semiconductor component.

Die Moden-Pusherschicht 115 kann beispielsweise eine Dicke t von kleiner als 2000 nm, beispielsweise kleiner als 800 nm oder kleiner als 250 nm haben. Die Schichtdicke der Moden-Pusherschicht 115 kann größer als 1 nm, beispielsweise größer als 30 nm oder größer als 50 nm sein. Die Moden-Pusherschicht 115 wird bei einer geringen Defektdichte epitaktisch gewachsen. Eine Gitterkonstante der Moden-Pusherschicht ist an das Gitter der GaN-haltigen Halbleiterschicht 101, beispielsweise der GaN-Schicht, angepasst. Beispielsweise kann das Moden-Pushermaterial ein Material der Zusammensetzung AlxIn1-xN enthalten oder aus diesem bestehen, wobei 0,77 ≤ x ≤ 0,87. Beispielsweise kann x in einem Bereich von 0,80 bis 0,84 liegen. Beispielsweise kann x einen Wert von ungefähr 0,82 haben.The mode pusher layer 115 can, for example, have a thickness t of less than 2000 nm, for example less than 800 nm or less than 250 nm. The layer thickness of the mode pusher layer 115 can be greater than 1 nm, for example greater than 30 nm or greater than 50 nm. The mode pusher layer 115 is grown epitaxially with a low defect density. A lattice constant of the mode pusher layer is adapted to the lattice of the GaN-containing semiconductor layer 101, for example the GaN layer. For example, the mode pusher material can contain or consist of a material of the composition Al x In 1-x N, where 0.77 ≤ x ≤ 0.87. For example, x can be in a range from 0.80 to 0.84. For example, x can have a value of approximately 0.82.

Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das Moden-Pushermaterial auch poröses GaN umfassen. Beispielsweise kann das poröse GaN einen Lufteinschlussanteil von ungefähr 15 % haben, was zu einem gemittelten Brechungsindex n von ungefähr 2,3 führt.According to further embodiments, the mode pusher material may also comprise porous GaN. For example, the porous GaN may have an air entrapment fraction of approximately 15%, resulting in an average refractive index n of approximately 2.3.

Das Moden-Pushermaterial kann beispielsweise als Volumenschicht (bulk) ausgebildet sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Moden-Pusherschicht auch eine Übergitterstruktur mit einem der genannten Moden-Pushermaterialien und AlxInyGa1-x-yN-Schichten, mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y < 1, aufweisen, die jeweils abwechselnd ausgebildet sind. Dabei haben das verwendete Moden-Pushermaterial und die AlxInyGa1-x-yN-Schichten eine unterschiedliche Zusammensetzung. Zum Beispiel kann die Moden-Pusherschicht eine Übergitterstruktur mit einem der genannten Moden-Pushermaterialien und GaN-Schichten aufweisen, die jeweils abwechselnd ausgebildet sind. Beispielsweise kann eine Schichtdicke der Einzelschichten des Moden-Pushermaterials kleiner als 100 nm oder kleiner als 80 oder 50 nm sein.The mode pusher material can be formed, for example, as a bulk layer. According to further embodiments, the mode pusher layer can also have a superlattice structure with one of the mode pusher materials mentioned and Al x In y Ga 1-xy N layers, with 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 and x + y < 1, which are each formed alternately. The mode pusher material used and the Al x In y Ga 1-xy N layers have a different composition. For example, the mode pusher layer can have a superlattice structure with one of the mode pusher materials mentioned and GaN layers, which are each formed alternately. For example, a layer thickness of the individual layers of the mode pusher material can be less than 100 nm or less than 80 or 50 nm.

Beispielsweise kann ein Abstand einer der aktiven Zone zugewandten Oberfläche der Moden-Pusherschicht 115 zur aktiven Zone 108 kleiner als 1000 nm, beispielsweise kleiner als 500 nm oder kleiner als 300 nm sein. Der Abstand kann beispielsweise größer als 1 nm, oder größer als 25 nm, beispielsweise größer als 80 nm sein.For example, a distance between a surface of the mode pusher layer 115 facing the active zone and the active zone 108 can be less than 1000 nm, for example less than 500 nm or less than 300 nm. The distance can be, for example, greater than 1 nm, or greater than 25 nm, for example greater than 80 nm.

1A zeigt ferner eine optionale Mantelschicht 117, die unter Bezugnahme auf 1B näher erläutert werden wird. 1A further shows an optional cladding layer 117, which with reference to 1B will be explained in more detail.

Das optoelektronische Halbleiterbauelement stellt einen Laser, insbesondere einen oberflächenemittierenden Laser mit photonischem Kristall oder geordneter photonischer Struktur bereit. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann der Laser auch als kantenemittierender Laser ausgeführt sein. Elektromagnetische Strahlung 15 kann beispielsweise über eine Seitenfläche des Halbleiterschichtstapels emittiert werden. 1A zeigt weiterhin schematisch den Verlauf einer optischen Mode innerhalb des Halbleiterschichtstapels.The optoelectronic semiconductor component provides a laser, in particular a surface-emitting laser with a photonic crystal or ordered photonic structure. According to further embodiments, the laser can also be designed as an edge-emitting laser. Electromagnetic radiation 15 can be emitted, for example, via a side surface of the semiconductor layer stack. 1A further shows schematically the course of an optical mode within the semiconductor layer stack.

Aufgrund der Anwesenheit der Moden-Pusherschicht 115 werden die optischen Moden in Richtung der Seite der zweiten Halbleiterschicht 102 geschoben, so dass die optische Mode mit der aktiven Zone 108 überlappt. Ein optisches Confinement bzw. ein optischer Einschluss kann somit verbessert werden. Entsprechend werden sogenannte „leaky modes“, d. h. Moden, die in den Substratbereich hinein „lecken“, reduziert.Due to the presence of the mode pusher layer 115, the optical modes are pushed towards the side of the second semiconductor layer 102 so that the optical mode overlaps with the active zone 108. Optical confinement can thus be improved. Accordingly, so-called "leaky modes", i.e. modes that "leak" into the substrate region, are reduced.

Dies ist in 1B genauer gezeigt. 1B veranschaulicht den Brechungsindex innerhalb des beispielsweise in 1A gezeigten Halbleiterschichtstapels. 1B zeigt ferner die elektrische Feldstärke der sich in der Halbleiterstruktur ausbildenden optischen Mode. Wie in 1B dargestellt ist, weist das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 eine photonische geordnete Struktur 110 auf, in der der gemittelte Brechungsindex gegenüber den benachbarten Schichten stark verringert ist. Wie weiterhin in 1B dargestellt ist, ist auf der Seite der ersten Halbleiterschicht 101 die Moden-Pusherschicht 115 vorgesehen, die ebenfalls einen verringerten Brechungsindex aufweist.This is in 1B shown in more detail. 1B illustrates the refractive index within the, for example, 1A shown semiconductor layer stack. 1B also shows the electric field strength of the optical mode forming in the semiconductor structure. As in 1B As shown, the optoelectronic semiconductor component 10 has a photonic ordered structure 110 in which the average refractive index is greatly reduced compared to the neighboring layers. As further shown in 1B As shown, the mode pusher layer 115, which also has a reduced refractive index, is provided on the side of the first semiconductor layer 101.

Beispielsweise kann der Brechungsindex n der Moden-Pusherschicht 115 in einem Bereich des gemittelten Brechungsindex n der geordneten photonischen Struktur 110 liegen. Auf diese Weise wird die elektrische Feldstärke E in den Bereich der aktiven Zone 108 geschoben. Wie weiterhin in 1B gezeigt ist, kann eine Position der Moden-Pusherschicht 115 so ausgewählt sein, dass die elektrische Feldstärke der optischen Mode an einer der aktiven Zone 108 zugewandten Grenzfläche der Moden-Pusherschicht 115 kleiner als 40 % der maximalen Feldstärke der optischen Mode ist. Auf diese Weise findet in einem Bereich der Moden-Pusherschicht 115 besonders wenig Absorption der erzeugten elektromagnetischen Strahlung statt. Beispielsweise kann die Position der Moden-Pusherschicht 115 weiterhin so ausgewählt sein, dass die Intensität der optischen Mode beziehungsweise die elektrische Feldstärke an einer der aktiven Zone 108 abgewandten Grenzfläche der Moden-Pusherschicht 115 kleiner als 10 % der maximalen Intensität beziehungsweise elektrischen Feldstärke der optischen Mode ist. Das heißt, wie in 1B dargestellt ist, bewegt sich die elektrische Feldstärke im Bereich der Moden-Pusherschicht 115 zwischen E1 und E2.For example, the refractive index n of the mode pusher layer 115 can be in a range of the average refractive index n of the ordered photonic structure 110. In this way, the electric field strength E is pushed into the region of the active zone 108. As further shown in 1B As shown, a position of the mode pusher layer 115 can be selected such that the electric field strength of the optical mode at a boundary surface of the mode pusher layer 115 facing the active zone 108 is less than 40% of the maximum field strength of the optical mode. In this way, particularly little absorption of the generated electromagnetic radiation takes place in a region of the mode pusher layer 115. For example, the position of the mode pusher layer 115 can also be selected such that the intensity of the optical mode or the electric field strength at a boundary surface of the mode pusher layer 115 facing away from the active zone 108 is less than 10% of the maximum intensity or electric field strength of the optical mode. This means, as in 1B As shown, the electric field strength in the region of the mode pusher layer 115 varies between E1 and E2.

Gemäß Ausführungsformen kann eine erste Mantelschicht 117 zwischen dem Substrat 100 und der Moden-Pusherschicht 115 angeordnet sein. Beispielsweise kann die Mantelschicht 117 einen größeren Brechungsindex als die Moden-Pusherschicht 115 haben. Beispielsweise kann die erste Mantelschicht 117 eine Zusammensetzung von AlyGa1-yN haben mit 0,02 < y < 0,25. Beispielsweise kann y kleiner als 0,15 oder kleiner als 0,1 sein. Weiterhin kann y größer als 0,03 oder größer als 0,04 sein. Die Schichtdicke der Mantelschicht 117 kann beispielsweise größer als 400 nm, beispielsweise größer als 900 nm oder sogar größer als 1600 nm sein. Durch diese erste Mantelschicht wird die Ausbreitung von Moden oder restlicher Modenenergie in das Substrat oder in eine Schicht jenseits der ersten Mantelschicht 117 weiter unterdrückt. Aufgrund des niedrigen Brechungsindex ist weiterhin in der ersten Mantelschicht 117 lediglich eine geringe Energie vorhanden.According to embodiments, a first cladding layer 117 may be arranged between the substrate 100 and the mode pusher layer 115. For example, the cladding layer 117 may have a larger refractive index than the mode pusher layer 115. For example, the first cladding layer 117 may have a composition of Al y Ga 1-y N with 0.02 < y < 0.25. For example, y may be less than 0.15 or less than 0.1. Furthermore, y may be greater than 0.03 or greater than 0.04. The layer thickness of the cladding layer 117 may, for example, be greater than 400 nm, for example greater than 900 nm or even greater than 1600 nm. This first cladding layer further suppresses the propagation of modes or residual mode energy into the substrate or into a layer beyond the first cladding layer 117. Due to the low refractive index, only a small amount of energy is present in the first cladding layer 117.

Zusätzlich zu der beschriebenen Mantelschicht 117 oder alternativ kann eine zweite Mantelschicht 118 zwischen der Moden-Pusherschicht 115 und der aktiven Zone 108 angeordnet sein. Die zweite Mantelschicht 118 ist genauer in 1C veranschaulicht, die wiederum einen Verlauf des Brechungsindex sowie der optischen Mode 16 zeigt. Die zweite Mantelschicht 118 kann beispielsweise eine AlyGa1-yN-Schicht sein mit y zwischen 0,04 und 0,15. Eine Schichtdicke der zweiten Mantelschicht 118 kann beispielsweise größer als 0,3 µm und kleiner als 2 µm sein. Durch die zweite Mantelschicht 118 wird die Ausbreitung von Moden in das Substrat weiter unterdrückt. Weiterhin ist in den Schichten, die unter der zweiten Mantelschicht 118, d. h. auf der von der aktiven Zone 108 abgewandten Seite liegen, die Energie der optischen Mode weiter verringert.In addition to the described cladding layer 117 or alternatively, a second cladding layer 118 may be arranged between the mode pusher layer 115 and the active region 108. The second cladding layer 118 is more precisely in 1C which in turn shows a profile of the refractive index and the optical mode 16. The second cladding layer 118 can be, for example, an Al y Ga 1-y N layer with y between 0.04 and 0.15. A layer thickness of the second cladding layer 118 can be, for example, greater than 0.3 µm and less than 2 µm. The second cladding layer 118 further suppresses the propagation of modes into the substrate. Furthermore, in the layers that lie under the second cladding layer 118, ie on the side facing away from the active zone 108, the energy of the optical mode is further reduced.

Wie in 1C weiterhin veranschaulicht ist, kann die zweite GaN-haltige Halbleiterschicht 102 ebenfalls einen höheren Brechungsindex n aufweisen. Beispielsweise kann der Brechungsindex der zweiten Halbleiterschicht 102 dem Brechungsindex der ersten Halbleiterschicht 101 entsprechen. Auf diese Weise finden sich auf beiden Seiten der aktiven Zone 108 jeweils Bereiche mit verringertem Brechungsindex. Weiterhin ist auf jeweils der von der aktiven Zone 108 abgewandten Seite der Moden-Pusherschicht 115 oder der geordneten photonischen Struktur 110, eine Schicht (erste Halbleiterschicht 101, zweite Halbleiterschicht 102) mit vergrößertem Brechungsindex n angeordnet. Der Unterschied des Brechungsindex zwischen Schichten mit vergrößertem und verkleinerten Brechungsindex liegt ungefähr in einem Bereich von Δn/n von 0,1/2,45, was in etwa 3 % oder 0,08 oder mehr entspricht. Dabei ist der prozentuale Unterschied jeweils auf den größeren Wert des Brechungsindex bezogen. Wie in 1C gezeigt ist, befindet sich das Hauptmaximum der optischen Mode 16 im Bereich der aktiven Zone 108. Weiterhin kann sich auf der Seite der zweiten Halbleiterschicht 102 ein kleines Nebenmaximum 121, welches von dem Hauptmaximum durch die geordnete photonische Struktur 110 getrennt ist), befinden. Auf diese Weise können die optischen Eigenschaften weiter verbessert werden.As in 1C As further illustrated, the second GaN-containing semiconductor layer 102 can also have a higher refractive index n. For example, the refractive index of the second semiconductor layer 102 can correspond to the refractive index of the first semiconductor layer 101. In this way, there are regions with a reduced refractive index on both sides of the active zone 108. Furthermore, a layer (first semiconductor layer 101, second semiconductor layer 102) with an increased refractive index n is arranged on the side of the mode pusher layer 115 or the ordered photonic structure 110 facing away from the active zone 108. The difference in the refractive index between layers with an increased and reduced refractive index is approximately in a range of Δn/n of 0.1/2.45, which corresponds to approximately 3% or 0.08 or more. The percentage difference is related to the larger value of the refractive index. As in 1C As shown, the main maximum of the optical mode 16 is located in the region of the active zone 108. Furthermore, on the side of the second semiconductor layer 102 there can be a small secondary maximum 121, which is separated from the main maximum by the ordered photonic structure 110. In this way, the optical properties can be further improved.

2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 10 gemäß weiteren Ausführungsformen. 2 shows a schematic cross-sectional view of an optoelectronic semiconductor component 10 according to further embodiments.

Das in 2 gezeigte optoelektronische Halbleiterbauelement 10 weist eine erste Halbleiterschicht 101 von einem ersten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise n-Typ, eine aktive Zone 108 zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung sowie eine zweite Halbleiterschicht 102 von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise p-leitend auf. Die erste und die zweite Halbleiterschicht können beispielsweise GaN-haltige Halbleiterschichten, beispielsweise GaN-Schichten sein. Die erste Halbleiterschicht 101, die aktive Zone 108 und die zweite Halbleiterschicht 102 sind unter Ausbildung eines Halbleiterschichtstapels übereinander ausgebildet. Eine geordnete photonische Struktur 110 kann innerhalb der zweiten Halbleiterschicht 102 ausgebildet sein.This in 2 The optoelectronic semiconductor component 10 shown has a first semiconductor layer 101 of a first conductivity type, for example n-type, an active zone 108 for generating electromagnetic radiation and a second semiconductor layer 102 of a second conductivity type, for example p-conductive. The first and second semiconductor layers can be GaN-containing semiconductor layers, for example GaN layers. The first semiconductor layer 101, the active zone 108 and the second semiconductor layer 102 are formed one above the other to form a semiconductor layer stack. An ordered photonic structure 110 can be formed inside half of the second semiconductor layer 102.

Beispielsweise kann ein Teil der zweiten Halbleiterschicht 102 auf einer der aktiven Zone 108 zugewandten Seite der geordneten photonischen Struktur 110 angeordnet sein. Weiterhin kann ein weiterer Teil der zweiten Halbleiterschicht 102 auf einer von der aktiven Zone 108 abgewandten Seite der geordneten photonischen Struktur 110 angeordnet sein. Eine Stromaufweitungsschicht 112 aus einem leitfähigen Material, beispielsweise einem leitenden transparenten Oxid, beispielsweise ITO („Indiumzinnoxid“) kann in Kontakt mit der zweiten Halbleiterschicht 102 ausgebildet sein. Eine erste Kontaktschicht 111 kann in Kontakt mit der ersten Halbleiterschicht 101 ausgebildet sein. Der Halbleiterschichtstapel kann über einem geeigneten Substrat 100, beispielsweise einem GaN-Substrat, angeordnet sein.For example, a part of the second semiconductor layer 102 can be arranged on a side of the ordered photonic structure 110 facing the active zone 108. Furthermore, another part of the second semiconductor layer 102 can be arranged on a side of the ordered photonic structure 110 facing away from the active zone 108. A current spreading layer 112 made of a conductive material, for example a conductive transparent oxide, for example ITO (“indium tin oxide”), can be formed in contact with the second semiconductor layer 102. A first contact layer 111 can be formed in contact with the first semiconductor layer 101. The semiconductor layer stack can be arranged above a suitable substrate 100, for example a GaN substrate.

Die Moden-Pusherschicht 115 kann zwischen dem Substrat 100 und der ersten Halbleiterschicht 101 angeordnet sein. Beispielsweise kann das Substrat 100 ein Wachstumssubstrat sein, und die einzelnen Schichten des Halbleiterschichtstapels werden nacheinander über dem Substrat 100 epitaktisch aufgewachsen.The mode pusher layer 115 can be arranged between the substrate 100 and the first semiconductor layer 101. For example, the substrate 100 can be a growth substrate and the individual layers of the semiconductor layer stack are grown epitaxially one after the other over the substrate 100.

Elektromagnetische Strahlung 15 wird beispielsweise über eine zweite Hauptoberfläche 105 des Substrats 100 emittiert. Der Halbleiterschichtstapel ist über einer ersten Hauptoberfläche 104 des Substrats 100 angeordnet.Electromagnetic radiation 15 is emitted, for example, via a second main surface 105 of the substrate 100. The semiconductor layer stack is arranged above a first main surface 104 of the substrate 100.

Beispielsweise können nach Aufwachsen der Moden-Pusherschicht 115 die Aufwachsbedingungen der darauffolgenden Halbleiterschicht, beispielsweise einer GaN-Schicht, so eingestellt werden, dass sich an der Grenzfläche zwischen der ersten Halbleiterschicht 101 und der Moden-Pusherschicht 115 ein zweidimensionaler Elektronengasbereich 114 ausbildet. Genauer gesagt, können die Materialkombinationen und -Zusammensetzungen so eingestellt werden, dass an dieser Stelle ein scharfer Übergang auftritt, so dass an der Grenzfläche eine entsprechende Bandverbiegung von Leitungs- und Valenzband auftritt und ein zweidimensionales Elektronengas vorliegt. Die Ladungsträger weisen im zweidimensionalen Elektronengasbereich 114 eine erhöhte Beweglichkeit auf, so dass auf diese Weise eine verbesserte Stromeinprägung stattfinden kann.For example, after the mode pusher layer 115 has grown, the growth conditions of the subsequent semiconductor layer, for example a GaN layer, can be set so that a two-dimensional electron gas region 114 forms at the interface between the first semiconductor layer 101 and the mode pusher layer 115. More precisely, the material combinations and compositions can be set so that a sharp transition occurs at this point, so that a corresponding band bending of the conduction and valence bands occurs at the interface and a two-dimensional electron gas is present. The charge carriers have increased mobility in the two-dimensional electron gas region 114, so that improved current injection can take place in this way.

Beispielsweise ist, wie in 2 gezeigt ist, die erste Halbleiterschicht 101 über die erste Kontaktschicht 111 von einer der aktiven Zone 108 zugewandten Seite kontaktiert. Die weiteren Schichten, also insbesondere die aktive Zone 108, die zweite Halbleiterschicht und die geordnete photonische Struktur 110 sind beispielsweise zu einer Mesa strukturiert sind. Ein Randbereich der ersten Halbleiterschicht 101 ist freiliegend, d.h. nicht mit Halbleiterschichten bedeckt. Entsprechend findet eine Kontaktierung der ersten Halbleiterschicht 101 ausschließlich über die Randbereiche statt. Dadurch, dass an der Grenzfläche zu der Moden-Pusherschicht 115 ein zweidimensionaler Elektronengasbereich 114 ausgebildet ist, kann eine verbesserte Stromeinprägung stattfinden.For example, as in 2 As shown, the first semiconductor layer 101 is contacted via the first contact layer 111 from a side facing the active zone 108. The other layers, in particular the active zone 108, the second semiconductor layer and the ordered photonic structure 110 are structured to form a mesa, for example. An edge region of the first semiconductor layer 101 is exposed, ie not covered with semiconductor layers. Accordingly, contact with the first semiconductor layer 101 takes place exclusively via the edge regions. Because a two-dimensional electron gas region 114 is formed at the interface with the mode pusher layer 115, improved current injection can take place.

In den vorstehenden 1B und 1C sind die Übergänge zwischen einzelnen Schichten jeweils als steile und abrupte Übergänge gekennzeichnet. Gemäß weiteren Ausführungsformen können diese Übergänge jedoch auch als graduelle oder stufenförmige Übergänge oder Grenzflächen realisiert sein. Insbesondere können Schichten, die an die Moden-Pusherschicht 115 angrenzen, einen graduellen Übergang bilden. Auf diese Weise kann die Vorwärtsspannung reduziert werden.In the above 1B and 1C the transitions between individual layers are each characterized as steep and abrupt transitions. According to further embodiments, however, these transitions can also be realized as gradual or step-like transitions or interfaces. In particular, layers that border the mode pusher layer 115 can form a gradual transition. In this way, the forward voltage can be reduced.

Weiterhin ist in 2 die zweite Stromaufweitungsschicht 112 gezeigt. Alternativ könnte auch eine metallische Spiegelschicht, beispielsweise ein DBR („Distributed Bragg Reflector“) Spiegel über der zweiten Halbleiterschicht 102 aufgebracht sein. Beispielsweise könnte eine metallische Spiegelschicht über der zweiten Halbleiterschicht 102 als elektrischer Kontakt wirken. Eine derartige metallische Spiegelschicht könnte auch eine verbesserte thermische Anbindung bereitstellen.Furthermore, in 2 the second current spreading layer 112 is shown. Alternatively, a metallic mirror layer, for example a DBR ("Distributed Bragg Reflector") mirror, could be applied over the second semiconductor layer 102. For example, a metallic mirror layer over the second semiconductor layer 102 could act as an electrical contact. Such a metallic mirror layer could also provide an improved thermal connection.

Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 zusätzlich eine DBR-Spiegelschicht, die über der ersten Hauptoberfläche 104 des Substrats 100 angeordnet ist, umfassen. In diesem Fall kann die Moden-Pusherschicht 115 auch als Teil dieser DBR-Spiegelschicht 119 ausgeführt sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann eine Kontaktierung der ersten Halbleiterschicht 101 auch auf eine andere Weise erfolgen. Beispielsweise kann eine Kontaktierung über das Substrat 100 erfolgen, beispielsweise über geeignete metallische Leitungen. Beispielsweise könnte ein solcher Kontakt außerhalb der optischen Apertur sein. Gemäß weiteren Ausgestaltungen können metallische Leitungen auch als sogenannte polarisierende metallische Leitungen, die beispielsweise wie ein Polarisationsgitter wirken können, ausgeführt sein und innerhalb der optischen Apertur angeordnet sein.According to further embodiments, the optoelectronic semiconductor component 10 can additionally comprise a DBR mirror layer arranged above the first main surface 104 of the substrate 100. In this case, the mode pusher layer 115 can also be designed as part of this DBR mirror layer 119. According to further embodiments, contacting of the first semiconductor layer 101 can also be carried out in a different way. For example, contacting can be carried out via the substrate 100, for example via suitable metallic lines. For example, such a contact could be outside the optical aperture. According to further embodiments, metallic lines can also be designed as so-called polarizing metallic lines, which can act like a polarization grating, for example, and can be arranged within the optical aperture.

Das hier beschriebene optoelektronische Halbleiterbauelement kann beispielsweise im Automobilbereich, beispielsweise als Scheinwerfer, als Laserprojektor oder zur Materialverarbeitung verwendet werden.The optoelectronic semiconductor component described here can be used, for example, in the automotive sector, for example as a headlight, as a laser projector or for material processing.

Obwohl hierin spezifische Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben worden sind, werden Fachleute erkennen, dass die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen durch eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Ausgestaltungen ersetzt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Die Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Variationen der hierin diskutierten spezifischen Ausführungsformen abdecken. Daher wird die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt.Although specific embodiments have been illustrated and described herein, Those skilled in the art will recognize that a variety of alternative and/or equivalent designs may be substituted for the specific embodiments shown and described without departing from the scope of the invention. This application is intended to cover any adaptations or variations of the specific embodiments discussed herein. Therefore, the invention is limited only by the claims and their equivalents.

BEZUGSZEICHENLISTELIST OF REFERENCE SYMBOLS

1010
Optoelektronisches HalbleiterbauelementOptoelectronic semiconductor device
1515
emittierte elektromagnetische Strahlungemitted electromagnetic radiation
1616
optische Modeoptical fashion
100100
SubstratSubstrat
101101
erste GaN-haltige Halbleiterschichtfirst GaN-containing semiconductor layer
102102
zweite GaN-haltige Halbleiterschichtsecond GaN-containing semiconductor layer
104104
erste Hauptoberflächefirst main interface
105105
zweite Hauptoberflächesecond main interface
108108
aktive Zoneactive zone
110110
geordnete photonische Strukturordered photonic structure
111111
erste Kontaktschichtfirst contact layer
112112
zweite Stromaufweitungsschichtsecond current spreading layer
114114
zweidimensionaler Elektronengasbereichtwo-dimensional electron gas region
115115
Moden-PusherschichtMode pusher layer
117117
erste Mantelschichtfirst coat layer
118118
zweite Mantelschichtsecond coat layer
119119
DBR-SpiegelschichtDBR mirror layer
121121
NebenmaximumSecondary maximum
122122
MesaMesa
123123
RandbereichEdge area

Claims (16)

Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10), umfassend: eine erste GaN-haltige Halbleiterschicht (101) von einem ersten Leitfähigkeitstyp, eine zweite GaN-haltige Halbleiterschicht (102) von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, und eine aktive Zone (108), wobei die erste Halbleiterschicht (101), die aktive Zone (108) und die zweite Halbleiterschicht (102) unter Ausbildung eines Halbleiterschichtstapels übereinander angeordnet sind, eine geordnete photonische Struktur (110), die angrenzend an die zweite GaN-haltige Halbleiterschicht (102) angeordnet ist, und eine Moden-Pusherschicht (115), die auf einer der ersten GaN-haltigen Schicht (101) zugewandten Seite der aktiven Zone (108) angeordnet ist, wobei ein Moden-Pushermaterial der Moden-Pusherschicht (115) einen Brechungsindex kleiner als 2,4 hat und eine Gitterkonstante c der Moden-Pusherschicht (115) in einem Bereich von 0,99 * a ≤ c ≤ 1,01 * a liegt, wobei a der Gitterkonstante von GaN entspricht.Optoelectronic semiconductor component (10), comprising: a first GaN-containing semiconductor layer (101) of a first conductivity type, a second GaN-containing semiconductor layer (102) of a second conductivity type, and an active zone (108), wherein the first semiconductor layer (101), the active zone (108) and the second semiconductor layer (102) are arranged one above the other to form a semiconductor layer stack, an ordered photonic structure (110) arranged adjacent to the second GaN-containing semiconductor layer (102), and a mode pusher layer (115) arranged on a side of the active zone (108) facing the first GaN-containing layer (101), wherein a mode pusher material of the mode pusher layer (115) has a refractive index of less than 2.4 and a lattice constant c of the mode pusher layer (115) is in a range of 0.99 * a ≤ c ≤ 1.01 * a, where a corresponds to the lattice constant of GaN. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach Anspruch 1, wobei die Moden-Pusherschicht (115) auf einer von der aktiven Zone (108) abgewandten Seite der ersten Halbleiterschicht (101) angeordnet ist.Optoelectronic semiconductor device (10) according to Claim 1 , wherein the mode pusher layer (115) is arranged on a side of the first semiconductor layer (101) facing away from the active zone (108). Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Moden-Pusherschicht (115) eine Übergitterstruktur aufweist, die Schichten des Moden-Pushermaterials und AlxInyGa1-x-yN-Schichten, mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y < 1, die jeweils abwechselnd angeordnet sind, umfasst.Optoelectronic semiconductor device (10) according to Claim 1 or 2 , wherein the mode pusher layer (115) has a superlattice structure comprising layers of the mode pusher material and Al x In y Ga 1-xy N layers, with 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 and x + y < 1, which are each arranged alternately. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Schichtdicke der Moden-Pusherschicht (115) kleiner als 800 nm ist.Optoelectronic semiconductor component (10) according to one of the preceding claims, wherein a layer thickness of the mode pusher layer (115) is less than 800 nm. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Abstand der Moden-Pusherschicht (115) zu der aktiven Zone (108) kleiner als 1000 nm ist.Optoelectronic semiconductor component (10) according to one of the preceding claims, wherein a distance of the mode pusher layer (115) to the active zone (108) is less than 1000 nm. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Moden-Pushermaterial ein Material der Zusammensetzung AlxIn1-xN mit 0,77 ≤ x ≤ 0,87 umfasst.Optoelectronic semiconductor component (10) according to one of the preceding claims, wherein the mode pusher material comprises a material of the composition Al x In 1-x N with 0.77 ≤ x ≤ 0.87. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Moden-Pushermaterial poröses GaN umfasst.Optoelectronic semiconductor component (10) according to one of the Claims 1 until 5 , wherein the mode pusher material comprises porous GaN. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Position der Moden-Pusherschicht (115) in Abhängigkeit des Brechungsindex der Moden-Pusherschicht (115) so ausgewählt ist, dass eine Intensität einer optischen Mode (16) innerhalb des Halbleiterschichtstapels an einer der aktiven Zone (108) zugewandten Grenzfläche der Moden-Pusherschicht (115) kleiner als 40 % der maximalen Intensität der optischen Mode (16) ist.Optoelectronic semiconductor component (10) according to one of the preceding claims, wherein a position of the mode pusher layer (115) is selected depending on the refractive index of the mode pusher layer (115) such that an intensity of an optical mode (16) within the semiconductor layer stack at an interface of the mode pusher layer (115) facing the active zone (108) is less than 40% of the maximum intensity of the optical mode (16). Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Position der Moden-Pusherschicht (115) in Abhängigkeit des Brechungsindex der Moden-Pusherschicht (115) so ausgewählt ist, dass eine Intensität einer optischen Mode (16) innerhalb des Halbleiterschichtstapels an einer der aktiven Zone (108) abgewandten Grenzfläche der Moden-Pusherschicht (115) kleiner als 10 % der maximalen Intensität der optischen Mode (16) ist.Optoelectronic semiconductor component (10) according to one of the preceding claims, wherein a position of the mode pusher layer (115) is selected depending on the refractive index of the mode pusher layer (115) such that an intensity intensity of an optical mode (16) within the semiconductor layer stack at a boundary surface of the mode pusher layer (115) facing away from the active zone (108) is less than 10% of the maximum intensity of the optical mode (16). Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin mit einem Substrat (100) auf der Seite der ersten Halbleiterschicht (101), wobei die erste Halbleiterschicht (101) eine erste Mantelschicht (117) mit einem Brechungsindex, der größer als der Brechungsindex des Moden-Pushermaterials ist, wobei die erste Mantelschicht (117) zwischen der Moden-Pusherschicht (115) und dem Substrat (100) angeordnet ist, umfasst.Optoelectronic semiconductor component according to one of the preceding claims, further comprising a substrate (100) on the side of the first semiconductor layer (101), wherein the first semiconductor layer (101) comprises a first cladding layer (117) with a refractive index that is greater than the refractive index of the mode pusher material, wherein the first cladding layer (117) is arranged between the mode pusher layer (115) and the substrate (100). Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach Anspruch 10, wobei eine Schichtdicke der ersten Mantelschicht (117) größer als 1000 nm ist.Optoelectronic semiconductor device (10) according to Claim 10 , wherein a layer thickness of the first cladding layer (117) is greater than 1000 nm. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Halbleiterschicht (101) ferner eine zweite Mantelschicht (118) zwischen der Moden-Pusherschicht (115) und der aktiven Zone (108) umfasst, wobei der Brechungsindex der zweiten Mantelschicht (118) kleiner als der Brechungsindex von GaN und größer als der Brechungsindex der Moden-Pusherschicht (115) ist.Optoelectronic semiconductor component (10) according to one of the preceding claims, wherein the first semiconductor layer (101) further comprises a second cladding layer (118) between the mode pusher layer (115) and the active zone (108), wherein the refractive index of the second cladding layer (118) is smaller than the refractive index of GaN and larger than the refractive index of the mode pusher layer (115). Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach Anspruch 12, wobei eine Schichtdicke der zweiten Mantelschicht (118) kleiner 1000 nm ist.Optoelectronic semiconductor device (10) according to Claim 12 , wherein a layer thickness of the second cladding layer (118) is less than 1000 nm. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die geordnete photonische Struktur (110) zwischen der aktiven Zone (108) und der zweiten Halbleiterschicht (102) angeordnet ist und die zweite Halbleiterschicht (102) einen größeren Brechungsindex als den gemittelten Brechungsindex der geordneten photonischen Struktur (110) hat.Optoelectronic semiconductor component (10) according to one of the preceding claims, wherein the ordered photonic structure (110) is arranged between the active zone (108) and the second semiconductor layer (102) and the second semiconductor layer (102) has a larger refractive index than the average refractive index of the ordered photonic structure (110). Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einem zweidimensionalen Elektronengasbereich (114) an einer Grenzfläche zwischen der ersten Halbleiterschicht (101) und der Moden-Pusherschicht (115) .Optoelectronic semiconductor component (10) according to one of the preceding claims, further comprising a two-dimensional electron gas region (114) at an interface between the first semiconductor layer (101) and the mode pusher layer (115). Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches als oberflächenemittierender Halbleiterlaser ausgebildet ist.Optoelectronic semiconductor component (10) according to one of the preceding claims, which is designed as a surface-emitting semiconductor laser.
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